平成 12 年度
卒業論文

サボニウス型風車における羽根枚数による性能比較と実験

指導教員
坂本東男

高知工科大学教授

知能機械システム工学科1010120

伊藤淳

目次

１．緒言

-2-

２．日本の風況環境に適した風車の選定-2-

３．実用化の目標-3-

４．実験装置および方法
４．実験装置および方法-3-

4-1 供試風車
4-2 測定機器
4-3 実験方法-3-

５．結果および考察-5-

６．風力発電機の出力

-5-

７．結言

-6-

謝辞
参考文献
付録 1
付録 2
付録 315

1-4-5-

知能機械システム工学科卒業論文
サボニウス型風車における羽根枚数による性能比較と実験
伊藤
1．緒言

淳

査による構造と設計思想の調査−付録 4

自然エネルギーは多くの研究者に注目されている１）２）。太陽光によるソーラーエネ

３）◎サボニウス羽根枚数（3,5,12）によルギー、風による風力エネルギー、流水にる性能比較（第 1 次）−付録 3よる水力エネルギーなどの自然エネルギー

４）◎サボニウス風力発電機のフィールド
実験による性能調査

は単にクリーンなエネルギーであると言う

５）◎サボニウス羽根枚数（2,3,5）によるだけでなく、資源を必要としない。しかし、性能比較（第２次）

従来のような大規模なプラントで発電する
６）

場合、広大な土地が必要であるだけでなく、サボニウス風力発電機の性能に及ぼすガイドベーンの影響調査

建設工事等に莫大なコストがかかる。そこで、各個人、各家庭がある程度必要なエネ

７） 磁石最適配列に関する静磁場解析

ルギーを発電、供給することができる小型発電機を身近に設置する事によって地球環

８）

境に根ざしたローカルクリーンエネルギー

市販発電機の磁束密度に関する磁場解析の実現を目的に研究を開始した。
ローカルクリーンエネルギーの利点は、

９）

各個人が必要なエネルギーをある程度確保発電機の磁束密度に及ぼすコアの有無による磁場影響の解析することが可能な点にある。また、エネル

１０）◎サボニウス直付けタイプ発電機のギー消費の削減に繋がり、ひいては、二酸設計製作
１１） 450mm 直径 1kw 発電機の設計製

化炭素の削減、資源枯渇への歯止めにも繋がるところにある。また、直接ローカルク作

リーンエネルギーに関わることによって、

１２）各個人の地球のエネルギー環境への意識の永久磁石発電機の温度上昇に関する解析と実験向上にも繋がる。一方で、設置工事が簡単＊◎は発表者が担当または参加で低価格の小型発電機を広い地域に多く設

本報告は、この計画の５）の風車の羽根枚置することで従来以上のコスト削減も期待数において性能比較を行うものである。

できる。ローカルクリーンエネルギーの実現と技術の確立のために以下の研究開発を実施している

2．日本の風況環境に適した風車の選定

１）◎市販風力・水力発電機のフィールド

風のポテンシャルエネルギーを人間が消実験による性能調査費できるエネルギーへ変換する手段として

２）◎８種類の風力、水力発電機の分解調15風車がある。図１に示すように様々な種類2しても使える。の風車が開発されてきたが、構造上水平軸型と垂直軸型に大きく分けられる。垂直軸形については風向に左右されないという特徴がある。又、風車の性質上大きく２つに分けられる。揚力型（水平軸プロペラ型、垂直軸ダリウス型等）は低トルク・高回転型、抗力型（水平軸多翼型、垂直軸サボニウス型等）は高トルク・低回転型と一般に

図 2. 実用例・外灯（MMS 製作所）いわれている。
風力発電の発達してきた欧米の強風速で常時一定方向に風が吹いている環境に対し

4．実験装置および方法て、日本では風速域も 2〜4m/s と低く、地形の影響もあり、常時一定方向に風が吹い

4-1 供試風車

図 3 に供試風車（2 枚羽根）ている場所もない。以上のように日本でのの横断面図を示す。ブレードと両端に取り風況環境を考慮した上で適していると思わつけた端板 2 枚からなる。風車の中心に直れ、本研究対象とした風車は垂直軸・サボ径 12ｍｍの軸が貫通している。

ニウス型風車である。

図 1.風車の種類

3．実用化の目標

図 3.サボニウス風車断面形状

緒言で述べた実施事項や研究を 1 つにま

風車は、半円筒形ブレード 2 枚・3 枚・5とめ図 2 に示す完全独立の小型発電機の開枚を付けた 3 種の風車と端板とブレードの発、実用化が最終目標である。発電に必要形状は統一した。

十分な風速のある場所であれば、新たに電図 4 に示すように左から順にサボニウス型

気設備の設置（電線を新規に引く等）に困

風車の基本形である 2 枚羽根、1 枚羽根を難な場所への設置が可能である。具体使用追加することで受風によって発生する回転例としては、キャンプ場、山小屋、公園、トルク変動を抑えた 3 枚羽根、回転トルク道路の外灯が挙げられ、又、非常用電源と変動を抑えるであろうタイプでサボニウス

153風車の定義限界範囲内と考えられる 5 枚羽根である。以上 3 種の風車を製作し性能比

4-2 測定機器較をする。なお、2 枚羽根のサボニウス型を図 5、図 6 に示す。

風車のアスペクト比ＡＲ（＝Ｈ/Ｃ）は 3.0、・風速計：米国製、風速測定範囲 0〜19.9m/s

オーバーラップ比ＯＬ（＝a/Ｃ）は 0.5 であ計測に使用する、測定機器

精度±3％･回転計：（株）小野測器製る。

HT-4100、非接触式ハンドタコメータ。回転端板：直径 D150mmの目印となる反射マークを回転

ブレード：直径 C100mm×高さ H300mm

軸に貼り、検出部からの可視光

風車外形：直径 D150mm×高さ H300mmを当て測定測定範囲 30r/min〜50000r/min、精度±１r/min。
・ トルク計：（株）新興通信工業製。抵抗線ひずみ計を応用した接触式トルクメータ（昭 42）。
測定範囲 0.5kg･m
精度±0.5％以内。

図 5.測定機器１（トルクセンサー）

図 4.供試風車の形状（左から、2 枚、3 枚、5 枚羽根）154

図 6.測定機器２（左･回転計、右･風速計）
4-3 実験方法の増大が考えられる。

図 7 に実験装置を示す。

また、より正確にデータを取るためには実験は、開放型風洞の正方形吹出し口（断供試風車模型サボニウスの出力の予測を立面寸法 450mm×450mm）の風洞断面中央て測定範囲にあったセンサーの選択も必要に供試風車を設置して行う。風車回転軸延である。サボニウスの特性を示す公式は基長上にトルクセンサーを設置、データレコ本的に実験式であるため出力算出は容易でーダに取り込む。風速は風車の手前で計測はない。しかし既にサボニウスの最大パワする。測定は、風速 0〜5m/s の 1m/s 毎にー係数・トルク係数など足利工業大学の牛各羽根枚数の風車の起動トルク、回転数、山泉教授らの研究３）によって提示されていトルク変動のデータを収集する。各平均値

る。風車形状が若干異なるため算出される風速域において、最初に風車軸に過大なト出力トルク等、実際の値とは異なるであろルクを付加し、これを徐々に減少させ起動う。測定範囲などの目安にはなると考えて開始点のトルクを計測、回転数も計測するいる。

ことによりトルク係数・パワー係数が算出できる。
6．風力発電機の出力２）以降の式に用いられる記号を下記に記す。
ρ：空気密度＝1.2[kg/m3]
CD：抗力係数[-]
A ：受風面積[m2]ｖ： 風速[m/s]
R ：風車半径[m]ｆ：風車回転数[rps]ω： 角速度＝2πf[rad/s]
図 7.実験全体図
ある物体が風によって受ける力 F[N]はF＝１/2･ρCD Aｖ２ …（１）5．結果および考察

従って、得られるパワーP[W]はP＝Fv

今回の実験に不都合が生じデータを収集＝１/２･ρCD Aｖ３ …（２）するには至らなかった。原因は回転軸軸受けの摩擦抵抗とトルクセンサーの回転抵抗が予想に反して大きかった、この 2 点にあ同じく、トルク T[Nm]はT＝FRる。特にトルクセンサーにおいては年経過＝１/２･ρCD Aｖ２Rによる内部ストレーンゲージの劣化、スリップリング部のオイル切れによる摩擦抵抗

155…（３）

実際には風車の負側の抗力や複雑な風車の（曲線 B がサボニウス型風車）

形状、風の流れなどを全て考慮して、CD の図 8 より、風車はある周速比でパワー係数代わりに実験値より求めたパワー係数 CP、の最大値をとる。サボニウス風車の場合、トルク係数 CQ が使われる

周速比 0.8 でパワー係数 0.15、図９よりその周速比でのトルク係数 0.25 となる。

Pe： 実際に得られるパワー[W]

ここで、今回製作した模型サボニウス（2Te：実際に得られるトルク[Nm]枚羽根）の最大パワーおよびトルクを計算

CP＝Pe /（１/２･ρAｖ ）３する。

…（４）

CQ＝Te /（１/２･ρAｖ２R）…（５）
最大風速5m/s

ここで風車の場合、風速に対する風車サイ受風面積0.15m×0.3ｍ

ズを無次元化して考えられるよう周速比λ

風車半径0.075ｍを用いるのが一般的であり、以下のように（４）式より定義される。
λ＝2πf R/ｖ…（６）

P＝CP１/２･ρAｖ３＝0.5[W]

また、周速比とパワー係数、トルク係数の関係は図 8、図 9 に示す。

（５）式より T＝CQ１/２･ρAｖ２R＝0.012［Nm］（λ=0 のとき CQ =0.37、最大トルク 0.018Nm）（６）式より ｆ＝λｖ/2πR＝8.48[rps]=509.2[rpm]以上の計算より、製作した 2 枚羽根のサボ
二ウス風車は、回転数 509.2[rpm]のとき、

図 8．

最大パワー0.5[W]、トルク 0.012［Nm］を周速比とパワー係数の関係得ることが出来る。
上限の予測は立った。上記の計算結果より計測の改良を行い、実際に実験記録を取ってからその議論は行うこととする。
7．結言
実験結果及び今後改善すべき点を以下にまとめた。
図 9．

15・トルクセンサーをはずした状態では低風

周速比とトルク係数の関係

6付録 1.

速から回転を開始することが確認されたサボニウス風車２）（図 10）の説明

・非接触式トルクセンサーへの交換をする
ことにより回転抵抗を低減させる必要がある
・安定した風を送るために送風側には十字フィンを設けること
以上の 2 点、準備が出来次第、再実験を

図 10. サボニウス風車の断面行うこととする。

1929 年．フィンランドの S.J.サボニウス
謝辞

により特許が取られた抗力利用のふうしゃ

ローカルクリーンエネルギーの研究に関である。円筒を縦半分に切った形の受風バ

しては高知県産業振興センターの運営するケット（羽根・ブレード）を向かい合わせ、高知県産業育成支援資金をいただいて行っ中心をずらして取りつけたもの。バケットた。最後に本実験に使用する実験器具を製の凹側と凸側で抗力に相違があることに加作してくださった M･M･S 製作所に感謝のえて、図 10 に示すように、向かい合わせた意を表す。

受風部の中央の重なった部分から受風側、凹側からの気流が戻り側バケットの背面に流れこむため、ロータの戻り側バケットの参考文献

背面を押す力がプラスされることになる。

１）さわやかエネルギー風車入門著２）自然エネルギー利用学

清水幸丸

編著

従って回転力は大きいが回転数は低く、牛山泉

風速と同等の周速度で回転。風の持つエネルギーを最大で 15〜20％程度取り出すこ

３）牛山・他 2 名,機論,52-480,B（昭 61）,2973とが出来る。

付録 2．
学会発表
坂本東男、松岡順一、伊藤淳、内野喬誌、横山應祥、製品分解による小型風力発電機、小型水力発電機の設計思想、
エコデザイン 2000 ジャパンシンポジウム
2000 年 12 月、p90-93

157

付録２

製品分解による小型風力発電機、小型水力発電機の設計思想○ 坂本東男（高知工科大学）、松岡順一、伊藤淳、、松岡順一、伊藤淳、内野高誌、横山應祥
内野高誌、横山應祥

Design Idea of Small-Size Wind and Water Power Generators Obtained byProduct Dissection
Haruo Sakamoto (Kochi University of Technology), Junichi Matsuoka,Jun Ito, Takashi Uchino, Masaaki Yokoyama

1.緒言
1.緒言:
緒言:
近年、地球温暖化の防止や地球環境の保全化の観点から、新エネルギー確保の開発研究が盛んとなって点から、新エネルギー確保の開発研究が盛んとなっている。通産省では 2010 年に太陽光発電を 500 万 kW、kW、風力発電を 30 万 kW の目標で普及を目指している。
風力発電機には従来誘導型電磁石が使用されているが、最近特に中小型風力発電機に永久磁石が使われるようになっている。従来の風力発電機はプロペラ（翼型）タイプが主流であり、定格発電能力は 12.5m/sなど強風時に確保されるのが一般的である。小型風力発電機は集会所や個人住宅に普及されることを目指しており、このような強風状態での発電能力では十分な発電が得られないのが通常である。そこで、市販され発電が得られないのが通常である。そこで、市販されている小型風力発電機を分解して、設計された思想をまとめ、今後の風力発電機の効率向上策に関して考察した。
製品分解は市販されている製品を分解して、中に含まれる創意工夫を学習出来る。また複数の製品を対象とすることにより、比較により、より良い設計の指針を得ることが可能となる。以下、市販の小型風力発電機、小型水力発電機を分解して、得られた指針を報告する。
２．製品分解によるエコデザイン学習事例 1)
工学系大学、特に機械工学分野では製品分解によるデザインの学習を行う大学がある 2)。高知工科2)。高知工科大学では１年生へ機械工学への導入学習として製品分
大学では１年生へ機械工学への導入学習として製品分解を実施した 1)。米国製、日本製の製品を分解して両1)。米国製、日本製の製品を分解して両者の設計思想を比較した。ここでは電池式室内クリーナーの例を説明する。
比較したのは図１に示す米国製ブランドＡと日本製ブランドＢの２つのクリーナーである。価格に関しては日本製が米国製の３倍以上であるが、外観、性能には大差が認められない。図２は１年生クラスでの分解作業風景であり、図３は分解した結果の比較である。さらに表１に２つのクリーナーの比較を数値で示す。米国製の方がエコデザインとなっている。日本
製は消費者の意向である効率化、利便性の追求からね
製は消費者の意向である効率化、利便性の追求からねじ、部品点数が多くなっている。最終的には充電時間の違いが設計に大きく影響している。この例から言えることは、エコデザインを目指すには、日本では消費者の要求事項から考え直す必要がある。

15

図１

電池式室内クリーナ（左日本製、右米国製）

図２

１年生のセミナー（製品分解）風景

図３

分解結果比較（左米国製、右日本製）

表１ 分解結果比較
３．市販小型風力発電機の分解
3.1 米国 Southwest 製エアランド 403(400W)
Southwest 製エアランド小型風力発電機は米国、日本で最も多く販売されていると言われている。
国、日本で最も多く販売されていると言われている。

8

図４に外観を、図５に概略分解の状態を示す。本体は620mm の長さ、胴回り（最大）が 142mm、142mm、重量は 6.0kgである。長さ 56cm の羽３枚で回転し、発電開始風速は 3.0m/s、定格3.0m/s、定格 400W は風速 12.5m/s で出力される。
図６に磁石が着いたローターとコイルの着いたステータを示す。ローターは 12 個の NdNd-FeFe-B 系永久磁石がエポキシで接着され、幅 8mm のステンレス鋼バンドで補強されている。コイルは分布巻であり、コアの電磁鋼板の内径部は磁石の３倍の数である 36 個の突起を有している。３相での電力出力となっている。羽根は有している。３相での電力出力となっている。羽根はサーモプラスティック系カーボンファイバ強化材料で、効率的に電力を取り出す形状を検討されたと記述されている。強風時にはブレードの先が風によってねじられ、余分な力を逃がす働きをしている。

図６

同上発電機のロータ、ステーター

図７

新日本技研の 1kW 風力発電機（左羽根をはずした外観、右フードをはずした外観）
図８ 同ローターをはずした外観

図４

米国製エアランド 403 小型風力発電機

図９

図５

ローター（内径に８個の磁石）同上発電機の小分解

3.2

日本、新日本技研製 SNKSNK-1000(1kW)
日本では風力発電機のメーカーが少なく、大型では三菱重工製が有名である。小型の風力発電機メーカーであった新日本技研が製作した定格メーカーであった新日本技研が製作した定格 1kW 発電の風力発電機を入手して分解した。図７に外観を示す。図７左のフランジ部分に３枚の羽根（1.3mす。図７左のフランジ部分に３枚の羽根（1.3m）をセ1.3m）をセットする。プロペラ（羽根）は木製である。本体は縦71cm、横71cm、横 38cm、奥行38cm、奥行 32cm の大きさである。重量は14kg。カタログによれば、発電開始風速は14kg。カタログによれば、発電開始風速は 2m/s、定格2m/s、定格1000w である。コイルは図８に示すように９個である。
コイルの線径は 1.7mm。左右のコイルは周方向にずれ1.7mm。左右のコイルは周方向にずれが見られる。ローターは直径 28.5cm。磁石は８個であ28.5cm。磁石は８個であり、磁石は長方形でなく、菱形となっている。左右２つの発電機は整流器で並列、直流となっている。
つの発電機は整流器で並列、直流となっている。

153.3

英国製ウインドチャージャー300W
英国製ウインドチャージャー300W
英国式ウインドチャージャを図 10 に示す。
図面から 3D3D-CAD で描いてみた。真ん中がコイルをセットしたステーターであり、その両サイドに磁石が配置されたローターが２つある。コイルはコアがなく、樹脂で固められている。コイルは８個で磁石も片側８樹脂で固められている。コイルは８個で磁石も片側８個である。

9

図 10 英国式ウインドチャージャの 3D3D-CAD
４ 小型水力発電機の分解
4.1 米国製 AQUAIR 小型水力発電機

図 11小型水力発電機（米国 AQUAIR）

図 125.

15

同上磁石を付けたロータ（２段）

結言：省略

10付録 3サボニウス型風車の羽根枚数によるトルク変動
第 1 次（3次（3 枚羽根・5枚羽根・5 枚羽根・12枚羽根・12 枚羽根）
１．

はじめに

日本国内では、オランダやアメリカ合衆国のように常時一定方向に風が吹くというよ
うなプロペラ型風車に適した土地は希である。そこで一般的日本の風況環境（風向が変化しやすい環境）に適した風車、サボニウス型と呼ばれる風車が挙げられる。サボニウス型風車は一般的に低回転・高トルクの特性があり、回転数が風向に左右されないという利点を持つ。利点を活かした風力発電機開発の基礎を築くための実験として、風速や風車の形状の違いでトルクがどのように変動するのか、今後サボニウス風車に設計した発電機を駆動させる十分なトルクがあるのか（あるいは、設計された風車形状によって発生した回転トルク以下のトルクで発電する発電機の開発）という確認、考察するために、トルク測定実験を行う。
２．

供試風車

上部中央：12 枚羽根（クロスフロー）
Φ600mm×610mm
下部左側： 5 枚羽根（サボニウス）
Φ600mm×610mm
下部右側： 3 枚羽根（サボニウス）
Φ800mm×610mm＊ サボニウス型風車において羽根枚数の増加すると、低トルク・高回転型になる傾向がある。

３．

図１．供試風車（サボニウス・クロスフロー）

計測方法

風車の回転軸の延長上にトルク計を取り付け、一方のトルク計の軸には任意の抵抗がかけられるようにプーリーが設けられている。プーリーにある大きさの抵抗をかけた時の回転数・トルクを風速域 3.5m/s、6m/s、7m/s と 3 段階に分けて計測。

1511

４．

計測結果−１（各風速域における回転数とトルク変動）

トルク［Kg･m］

サボニウス3枚羽根
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
03m/s
6m/s
7m/s

015183141
回転数［rpm］

477287

サボニウス5枚羽根トルク［Kg･m］

0.9
0.73m/s
6m/s
7m/s

0.5
0.3
0.1
-0.1

0

15

25

45

59
76
回転数［rpm］

90

103

110

クロスフロー12枚羽根
0.7
トルク［Kg･m］

0.6
0.53m/s
6m/s
7m/s

0.4
0.3
0.2
0.1
00

15

18

25

34

54
68
回転数［rpm］

1282

90

104

５．

計測結果−２（風速と回転数）

サボニウス型・３枚羽根
120
回転数 ［rpm］

100
80
60
40
20
0
0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

5.0

6.0

5.0

6.0

風速 ［m/s］

サボニウス型・５枚羽根
120
回転数 ［rpm］

100
80
60
40
20
0
0.0

1.0

2.0

3.0
風速 ［m/s］

4.0

クロスフロー型・１２枚羽根
120
回転数 ［rpm］

100806040
2000.01.02.03.04.0

風速 ［m/s ］

1513６．

考察
計測結果―１より比較的高いトルクが出力されていたのはサボニウス 3 枚羽根とクロスフロー12 枚羽根であった。実用の風速域（２〜４ｍ/ｓ）内においてもその傾向にあると推測できる。低風速時（3.5m/s）には 3 枚羽根・12 枚羽根両方ともわずかなトルクの差は実質的に無いに等しいと判断する。しかし、足利工業大学・牛山泉教授らの研究によれば羽根の端板の有無によって若干ではあるが効率が上昇することが確認されている。従って、羽根部分のみの端板しかないことを考慮に入れると、サボニウス 3 枚羽根の方が出力向上の可能性がある。高風速域（6m/s 以上）時 2 種の風車、3 枚羽根・12 枚羽根にトルク、回転数において明確な差が確認された。サボニウス型は高トルクタイプ、クロスフローは高回転型に分けられる。サボニウス 5 枚羽根においては他 2 種の中間的な特性が見受けられた。しかし、低風速域においてはほとんどトルクが発生しておらず発電機を実装したとして、低風速域での発電量は 3 種の風車の中では最も低いであろう事は明らかである。
低風速域での風力発電機を開発製作するにあたってはサボニウス 5 枚羽根風車を駆動源に使用することは避けた方が良いと考える。低風速域での回転数は 3 者ともそれほど差は無く、更に確実にトルクを要求する発電機を実装するならばサボニウス 3 枚羽根を選択した方がよいという結論に達する。

７．

まとめ

・ 低風速域での回転数は 3 種とも大差は無いが、同時に出力トルクの点でサボニ
ウス 3 枚羽根、クロスフロー12 枚羽根の順に有効である。
・ 高風速域ではサボニウス 5 枚羽根、クロスフロー12 枚羽根が高速回転をするトル
クの点ではクロスフローの方が若干上である。このときサボニウス 3 枚羽根の出力トルクは 3 種の中では随一ではあるが回転数が上がらず他の 2 種に比べ 30 回転程下回る。
・ 低風速域風力発電の駆動源としての風車はサボニウス 3 枚羽根・クロスフロー12枚羽根が有効であるがサボニウス 3 枚羽根はまだ改良の余地が残されている分発電機出力の向上の可能性が残されている。
８．

今後の計画
今回の実験では外形サイズは、ほぼ同形ではあったが羽根の形状が異なり、異なる種の風車が混在していたので、単に羽根枚数の変化によるトルク変動計測実
験とはいい難いものがある。今後、同種の風車で外形サイズはもとより、羽根の形状も統一することにより、純粋に羽根枚数の変化による、性能・特性比較実験が必要であると考える。

1514